Controllare il movimento di minuscole particelle

I ricercatori del MIT hanno scoperto un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per controllare il movimento di minuscole particelle che galleggiano in sospensione. Questo approccio, che richiede semplicemente l'applicazione di un campo elettrico esterno, può in definitiva portare a nuovi modi di eseguire determinati processi industriali o medici che richiedono la separazione di piccoli materiali sospesi.

Un fenomeno su scala di particelle simile allo sbandamento di una sfera curva potrebbe consentire la separazione selettiva dei nanomateriali sospesi. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno scoperto un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per controllare il movimento di minuscole particelle che galleggiano in sospensione. Questo approccio, che richiede semplicemente l'applicazione di un campo elettrico esterno, può in definitiva portare a nuovi modi di eseguire determinati processi industriali o medici che richiedono la separazione di piccoli materiali sospesi.

I risultati si basano su una versione elettrocinetica del fenomeno che conferisce alle curve le loro curve, noto come Magnus effect. Il dottor Zachary Sherman PhD '19, (1) post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin, e il dottor James W. Swan, (2) professore di ingegneria chimica del MIT, descrivono il nuovo fenomeno in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Physical Review Letters. (3)

Il Magnus effect fa sì che un oggetto rotante venga tirato in una direzione perpendicolare al suo movimento, come nella sfera curva; si basa su forze aerodinamiche e opera su scale macroscopiche - cioè su oggetti facilmente visibili - ma non su particelle più piccole. Il nuovo fenomeno, indotto da un campo elettrico, può spingere particelle fino a scale nanometriche, spostandole in una direzione controllata senza contatto o parti in movimento.

La scoperta è stata una sorpresa, mentre Zachary Sherman stava testando alcuni nuovi software di simulazione per le interazioni di minuscole particelle su nanoscala che stava sviluppando, all'interno di campi magnetici ed elettrici. Il test, che stava studiando lo scienziato, prevede il posizionamento di particelle cariche in un liquido elettrolitico (liquido con ioni o atomi o molecole cariche).

Era noto, dice, che quando particelle cariche di poche decine o centinaia di nanometri di diametro sono collocate in tali liquidi, rimangono sospese al suo interno anziché sedimentarsi, formando un colloide. Gli ioni quindi si raggruppano attorno alle particelle. Il nuovo software ha simulato con successo questo clustering di ioni. Successivamente, ha simulato un campo elettrico attraverso il materiale. Ciò dovrebbe indurre un processo chiamato elettroforesi, che spingerebbe le particelle nella direzione del campo applicato. Ancora una volta, il software ha simulato correttamente il processo.

Quindi Sherman decise di spingerlo ulteriormente e gradualmente incrementando la forza del campo elettrico. «Ma poi abbiamo osservato questo fenomeno», dice. «Se il campo fosse abbastanza forte, si otterrebbe una normale elettroforesi per un po', ma i colloidi inizierebbero spontaneamente a girare.» Ed è qui che entra in gioco il Magnus effect.

Non solo le particelle ruotavano nelle simulazioni mentre si muovevano, ma «quei due movimenti si accoppiavano insieme e la particella rotante si allontanava dal suo percorso», spiega. «È strano, perché applichi una forza in una direzione, e quindi la cosa si sposta in una direzione ortogonale [ad angolo retto] rispetto a ciò che hai specificato. È direttamente analogo a ciò che accade aerodinamicamente con le palle rotanti. Se lanci una palla curva nel baseball, va nella direzione in cui l'hai lanciata, ma poi svanisce. Quindi questa è una specie di versione microscopica del noto Magnus effect macroscopico.»

«Ci sono due diversi tipi di esempi di processi in cui questa capacità potrebbe tornare utile», spiega Zachary Sherman. «Uno è usare la particella per consegnare una sorta di "carico" in una posizione specifica. Ad esempio, la particella potrebbe essere collegata a un farmaco terapeutico e stai cercando di portarlo in un sito target che ha bisogno di quel farmaco, ma non puoi ottenere il farmaco direttamente lì. Oppure la particella potrebbe contenere una sorta di reagente chimico o catalizzatore che deve essere diretto verso un canale specifico per realizzare la reazione desiderata.»

Il secondo esempio è una sorta di inverso di quel processo: raccogliere una specie di materiale target e riportarlo indietro. Ad esempio, una reazione chimica per generare un prodotto potrebbe anche produrre molti sottoprodotti indesiderati. «Quindi hai bisogno di un modo per ottenere un prodotto. Queste particelle possono essere utilizzate per catturare il prodotto e quindi essere estratte utilizzando il campo elettrico applicato. In questo modo si comportano come piccoli aspirapolvere. Raccolgono ciò che desideri, quindi puoi spostarli da qualche altra parte e quindi rilasciare il prodotto dove è più facile da raccogliere.»

Questo effetto dovrebbe applicarsi a una vasta gamma di dimensioni e materiali delle particelle. Il team continuerà a studiare come le diverse proprietà del materiale influenzano la velocità di rotazione o la velocità di traslazione di questo effetto. Il fenomeno di base dovrebbe applicarsi praticamente a qualsiasi combinazione di materiali per le particelle e il liquido in cui sono sospesi, purché i due differiscano l'uno dall'altro in termini di proprietà elettrica chiamata costante dielettrica.

I ricercatori hanno esaminato materiali con una costante dielettrica molto elevata, come particelle di metallo, sospesi in un elettrolita a conduzione molto più bassa, come acqua o oli. «Ma potresti anche essere in grado di vederlo con due materiali che hanno un contrasto» nella costante dielettrica, afferma Sherman, ad esempio con due oli che non si mescolano e formano così goccioline sospese.

Questo lavoro scientifico è stato supportato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) e dalla National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Zachary Sherman

(2) James W. Swan

(3) Spontaneous Electrokinetic Magnus Effect

Descrizione foto: i ricercatori del MIT hanno scoperto un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per controllare il movimento di minuscole particelle che galleggiano in sospensione. Questo approccio, che richiede semplicemente l'applicazione di un campo elettrico esterno, può in definitiva portare a nuovi modi di eseguire determinati processi industriali o medici che richiedono la separazione di piccoli materiali sospesi. - Credit: Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Study finds electrical fields can throw a curveball